UVC LED應(yīng)用遭遇熱管理挑戰(zhàn) 英國公司研發(fā)出對策破行業(yè)難題

文章來源:恒光電器

發(fā)布時(shí)間:2017-09-12

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英國Cambridge Nanotherm公司的John Cafferkey認(rèn)為，以前有句話說“產(chǎn)生的熱量要比光更多”，現(xiàn)在這句話也總結(jié)了UVC LED這個(gè)日益增長的市場面臨的“熱量挑戰(zhàn)”。目前，UVC LED主要用于為醫(yī)療儀器、水和其他日常消費(fèi)品消毒。

UVC技術(shù)起源于20世紀(jì)初，那時(shí)水銀燈首次進(jìn)行批量生產(chǎn)。

紫外線發(fā)射燈在1910年用于飲用水消毒。但是，那家原型廠因被證明是不太可靠的，因此遭到關(guān)閉。

在20世紀(jì)50年代，新的UVC水處理系統(tǒng)被試用，到20世紀(jì)80年代中期，歐洲共有約1500家工廠。

除水處理外，UVC用于一系列應(yīng)用中，包括清潔醫(yī)療設(shè)備和醫(yī)院室，設(shè)計(jì)，為空調(diào)系統(tǒng)消毒以防止病原體擴(kuò)散等。

雖然水銀蒸氣燈在這些大型應(yīng)用中非常有效，但是燈泡很脆弱，建筑照明，以及使用危險(xiǎn)汞意味著它們不適合更便攜的及環(huán)境友好型的應(yīng)用。

近年來，LED制造商開發(fā)出越來越有效的UVC LED。雖然不如UVA LED（用于固化油墨和油漆）那么有效，但它們可用于低功率應(yīng)用。

因此，行業(yè)分析師認(rèn)為接下來幾年UVC LED將會(huì)迅速發(fā)展。這種繁榮的基礎(chǔ)是UVC LED為便攜式、消費(fèi)友好型的UVC應(yīng)用中創(chuàng)造了市場。例如，消費(fèi)者將會(huì)購買便攜式消毒“魔杖”，它們可以用來消毒日常用品，如智能手機(jī)、平板電腦或鍵盤。

消費(fèi)品制造商能夠?qū)�LED UVC技術(shù)嵌入到產(chǎn)品中進(jìn)行自我消毒。例如，牙刷用完后放回到架子上，可以進(jìn)行自動(dòng)消毒；可以按下按鈕，嬰兒奶瓶就可以進(jìn)行自動(dòng)滅菌；當(dāng)使用時(shí)，水龍頭可以對水進(jìn)行滅菌。這些可能性是無止境的。

拯救生命的潛力

但是，LED射燈，UVC的一些更深入的應(yīng)用才是令人關(guān)注的。便攜式滅菌瓶可以改善發(fā)展中國家向其公民提供清潔飲水的方式，需要飲用時(shí)，就可以對水進(jìn)行消毒。這在一些地區(qū)尤其有價(jià)值，比如沒有集中式水消毒基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)，或者可以迅速提供安全用水的災(zāi)區(qū)。

除了新的應(yīng)用之外，口碑，甚至醫(yī)院（UVC已在醫(yī)院使用多年）都可以受益。在全球范圍內(nèi)，商業(yè)照明燈具，每年超過70萬患者住院時(shí)受到感染，技術(shù)資訊，恒光電器，75000人死亡。UVC技術(shù)可以嵌入醫(yī)療器械中，如聽診器和解剖刀，可以在幾秒鐘內(nèi)消毒。

UVC LED有潛力將UVC的消毒能力帶入大眾市場，可能對公共衛(wèi)生產(chǎn)生重大影響。

熱挑戰(zhàn)

該技術(shù)還處于起步階段，其中一個(gè)挑戰(zhàn)是UVC LED的熱管理。像任何電子元件一樣，LED對熱敏感。

UVC LED具有特別低的外量子效率（EQE）- 它們只將大約5％的功率輸入轉(zhuǎn)換成光。剩余95％的功率被轉(zhuǎn)換成熱量，熱量必須要快速去除，以保持LED芯片低于其最大工作溫度。假如沒有及時(shí)將LED芯片冷卻，將最終縮短其使用壽命，甚至不能使用。

隨著UVC LED越來越強(qiáng)大，制造商需要考慮新的方法來應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。現(xiàn)在，問題仍然是如何處理UV LED的高熱需求，同時(shí)確保組件保持成本效益、耐用、能耐紫外線光源本身的磨損。

由于UV LED太小，大量的熱量無法從其表面擴(kuò)散，超市照明，所以有效讓熱量排放的唯一途徑是通過LED背面。熱量必須從LED芯片導(dǎo)出，通過模塊PCB，到達(dá)散熱片，然后釋放到大氣中。

熱量也是PCB的問題

安裝LED的PCB必須具有高導(dǎo)熱性，對于可見光LED通常是金屬基印刷電路板（MCPCB）。但是，這些不適用于UVC應(yīng)用。MCPCB由一塊金屬（通常為鋁或銅）制成， led亮化工程公司，上面的銅電路層附有一層電介質(zhì)層，由導(dǎo)電但電絕緣的環(huán)氧樹脂組成。

基于環(huán)氧電介質(zhì)的MCPCB可用于可見光應(yīng)用，但UV（尤其是UVC）會(huì)降解有機(jī)物質(zhì)， led室內(nèi)照明，如環(huán)氧樹脂，進(jìn)而顯著降低了UV應(yīng)用中MCPCB的壽命。唯一可行的替代方案是使用電子級(jí)陶瓷。

其中，氮化鋁（AIN）具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性（140W/mK-170W/ mK），但很昂貴。氧化鋁（Al2O3）是更具成本效益的替代品，但沒有提供UV LED所需的熱導(dǎo)率(20W/mK-30W/mK)。同時(shí)，這兩者都很脆弱，并且容易損壞，家用照明，這意味著它們不容易用螺絲安裝，并且不適合于更強(qiáng)大的應(yīng)用。

替代方案是具有濺射電路層的納米陶瓷。這提供150 W/mK以上的熱導(dǎo)率，LED-T5一體化燈管，并且在所需的熱范圍內(nèi)。

英國Cambridge Nanotherm使用專利的電化學(xué)氧化（ECO）工藝，使用這種方法將鋁板的表面轉(zhuǎn)變成幾十微米薄的氧化鋁（Al2O3）陶瓷。

氧化鋁（Al2O3）陶瓷層作為上面的電路和下面的鋁之間的電介質(zhì)。由于ECO工藝生產(chǎn)的氧化鋁陶瓷層非常薄，因此熱量可以很容易地通過，使其具有很好的導(dǎo)熱性。

該薄膜處理或?yàn)R射步驟遵循ECO工藝，直接將銅電路層附到納米陶瓷電介質(zhì)上，建筑照明，以進(jìn)一步提高熱效率。因?yàn)樵谌魏坞A段都沒有使用有機(jī)環(huán)氧樹脂，裝修照明，所以紫外線沒有什么可以降解。

這種方法可以生產(chǎn)出與氮化鋁（AlN）相當(dāng)熱性能的MCPCB，質(zhì)量，但沒有任何與生產(chǎn)或脆性相關(guān)的問題。

由LED實(shí)現(xiàn)的UVC消毒技術(shù)可以帶來真正的變革效果，但是制造商和設(shè)計(jì)人員需要確保能夠克服UV LED所面臨的熱挑戰(zhàn)。（編譯：LED網(wǎng) James）

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